2.6尿素與植物根尖分生組織上的受體互作所引發(fā)的聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)

對公式(4)變形，可以推導(dǎo)出

以1/[RL]為縱坐標(biāo)，以1/[L]為橫坐標(biāo)的雙倒數(shù)方程。直線的斜率為Kd/[RT]，橫軸截距為-1/Kd，縱軸截距1/[RT]。根據(jù)上述推導(dǎo)，再以尿素溶液濃度的倒數(shù)為橫軸，以電流變化率的倒數(shù)為縱軸通過Origin 2019軟件線性擬合。

得到擬合的線性回歸方程分別為:

由上述方程分別計算得出4種植物的根尖分生組織對尿素的聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)Ka，如表1所示。

表1根尖組織對尿素的聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)

此處的聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)Ka和酶促反應(yīng)參數(shù)Km值相似，定義為:達到組織上傳感受體飽和(電化學(xué)信號放大效應(yīng))一半時的配體濃度。顯然Ka越小，說明配體通過與受體互作所產(chǎn)生的電化學(xué)信號變化效應(yīng)越高，傳感越靈敏。玉米的Ka值比其他3種植物至少高7個數(shù)量級?？梢酝茢嘤衩紫噍^于其他3種植物，對尿素的傳感能力很弱，或可判斷為:玉米在一定程度上存在對尿素的傳感缺陷。

2.7植物組織傳感器的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性

將制成的辣椒根尖組織傳感器在1×10-16 mol·L-1的尿素溶液中連續(xù)測定10次，電流變化率的RSD為4.73%，表明該受體傳感器穩(wěn)定性能良好。取不同批次制備的電化學(xué)型組織傳感器5支，制成的玉米根尖組織傳感器在1×10-6mol·L-1的尿素溶液中連續(xù)測定10次，電流變化率的RSD為2.52%，表明該受體傳感器穩(wěn)定性能良好。

將構(gòu)建好的根尖組織傳感器于4℃的超純水上方保存，每間隔24 h測定同一濃度的尿素溶液，第1~5天該傳感器的響應(yīng)電流比較為穩(wěn)定，分別為100%、99.64%、88.32%、75.73%、70.01%;第6天的響應(yīng)電流比為63.22%，表明該類型組織傳感器至少可穩(wěn)定使用5 d。

2.8辣椒與玉米對尿素傳感動力學(xué)常數(shù)的比較與驗證

根據(jù)實驗結(jié)果，玉米與其他3種植物的傳感能力有顯著差距，辣椒根尖組織可以在10-15~10-10mol·L-1對尿素傳感，而玉米在該濃度范圍內(nèi)應(yīng)無明顯的傳感能力。為了驗證通過植物根尖分生組織傳感器所測定的動力學(xué)常數(shù)是否真實反映了植物根尖對尿素的傳感能力，我們以尿素為唯一氮源，在10-15~10-10mol·L-1的尿素培養(yǎng)液中，對玉米和辣椒苗進行培養(yǎng)實驗。

如圖7所示，我們將玉米與辣椒共同培養(yǎng)在尿素濃度從左至右依次為1×10-10、1×10-11、1×10-12、1×10-13、1×10-14和1×10-15mol·L-1的培養(yǎng)液中。結(jié)果表明:玉米在10~15 d內(nèi)相繼死亡，而辣椒在培養(yǎng)液中正常生長。證明了玉米在低于其傳感能力的尿素培養(yǎng)液中不能正常生長，而辣椒可以在該尿素濃度范圍內(nèi)正常生長。說明我們通過根尖分生組織研制的傳感器及其對尿素的傳感參數(shù)的確真實地反映了根對尿素的識別、傳感和吸收能力，同時發(fā)現(xiàn)，和其他3種植物相比，玉米對尿素的傳感存在明顯的缺陷。

圖7玉米和辣椒在從左至右10-10~10-15mol·L-1的尿素溶液中培養(yǎng)

3討論

過去一些植物學(xué)的經(jīng)典理論認為尿素作為氮肥發(fā)揮作用需通過土壤中微生物產(chǎn)生的脲酶水解為CO2和NH3，NH3再被植物吸收利用。但現(xiàn)在越來越多的研究表明:在無土壤微生物存在的條件下，外源尿素也可以被植物根系直接吸收，并在未降解的情況下轉(zhuǎn)運至地上部分。近年來的研究進一步表明:可能存在2類不同的轉(zhuǎn)運體系，即需要能量且逆尿素濃度梯度的主動吸收途徑和膜蛋白促進型的尿素跨膜擴散的被動運輸途徑，即依賴于膜蛋白的尿素低親和力傳感轉(zhuǎn)運體系和高親和力傳感轉(zhuǎn)運體系。通過固定根尖分生組織制備的生物傳感器，首次定量化測定了玉米、辣椒、花椰菜和黃瓜根尖分生組織對尿素的識別和傳感規(guī)律，得到4種植物根尖分生組織與尿素的雙曲線動力學(xué)模型，并計算出4種植物的重要動力學(xué)參數(shù)(Ka)，分別為Ka玉米=7.179 0×10-9 mol·L-1;Ka辣椒=4.537 0×10-16 mol·L-1、Ka花椰菜=9.908 5×10-20 mol·L-1和Ka黃瓜=6.462 8×10-21mol·L-1。通過對比發(fā)現(xiàn):玉米對尿素的傳感能力遠低于其他3種植物。為了驗證這些參數(shù)的生物學(xué)意義，以尿素為唯一氮源，在10-15~10-10mol·L-1尿素的液體培養(yǎng)基中對玉米和辣椒苗進行了培養(yǎng)和驗證實驗，結(jié)果證明:玉米在10~15 d內(nèi)葉片枯黃死亡，而辣椒則可以正常生長，證明所得到的動力學(xué)參數(shù)(聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)Ka)真實地反映了植物根系對尿素的傳感能力，同時證明:和其他3種植物相比，玉米對尿素的傳感存在明顯的缺陷，其具體受體及其傳感、吸收和控制機制有待進一步深入研究。

4結(jié)論

本研究成功地構(gòu)建了一種植物根尖組織生物傳感器，并通過該傳感器定量化測定了尿素對玉米、辣椒、花椰菜和黃瓜的根尖組織互作、識別與聯(lián)動變構(gòu)常數(shù)Ka，通過研究4種植物對尿素的傳感動力學(xué)，驗證了植物根尖可以直接傳感尿素，且不同種類的植物傳感尿素的能力不同。通過對玉米和辣椒在尿素為唯一氮源的液體培養(yǎng)基上進行的培養(yǎng)實驗，證明這些參數(shù)的確能夠反映植物根系對尿素的識別、傳感和吸收能力，同時也發(fā)現(xiàn)玉米存在對尿素識別、傳感和吸收缺陷，為進一步深入研究植物對尿素的識別、傳感、吸收和調(diào)控機制奠定了基礎(chǔ)。該生物傳感器操作簡單、易行、成本低、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好，為探尋植物根系對土壤中有效營養(yǎng)成分的傳感利用及其動力學(xué)研究，為合理施肥、提高作物產(chǎn)量等提供了一種新方法。